Entwicklung und Analyse eines Nano

Jun 20, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13387 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Da die Gesellschaft immer intelligenter wird, gewinnen fortschrittliche optische Sensor- und Bildgebungstechnologien, die sichtbare und nahinfrarote Regionen nutzen, zunehmend an Bedeutung. Drahtgitterpolarisatoren, die für breitbandige elektromagnetische Wellen verfügbar sind, verbessern effektiv das Signal-Rausch-Verhältnis solcher optischer Systeme und ermöglichen eine fortschrittlichere Objekterkennung und -analyse. Für die Umsetzung in alltägliche Produkte müssen jedoch kostengünstige Herstellungsverfahren entwickelt werden, die gleichzeitig leistungsstarke optische Funktionen bieten. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, führten wir eine Analyse der Geometrie von Drahtgitterpolarisatoren durch und entwarfen und entwickelten einen Drahtgitterpolarisator mit einer nanodreieckigen wellenförmigen Struktur, der mit allgemeinen Fertigungsgeräten hergestellt werden kann. Sobald die Form vorbereitet ist, kann dieser Polarisator durch Nanoprägung und Metallabscheidung mit normalem Winkel oder stromlose Beschichtungsverfahren hergestellt werden. Der durch stromlose Ni-Beschichtung hergestellte Polarisator erreicht eine Durchlässigkeit von 40 %, was etwa 1,4-mal höher ist als der Wert, der in einer früheren Studie mit stromloser Ni-Beschichtung auf einer rechteckigen Struktur mit derselben Periode erreicht wurde. Darüber hinaus funktioniert der durch Normalwinkel-Al-Abscheidung hergestellte Polarisator über einen weiten Wellenlängenbereich vom sichtbaren Licht bis zum nahen Infrarot und erreicht ein Polarisationsextinktionsverhältnis von 24 dB bei einer Wellenlänge von 550 nm und eine hohe Durchlässigkeit von 81 %. Im Gegensatz zur Schrägwinkel-Abscheidungsmethode, die bei der Herstellung herkömmlicher Drahtgitterpolarisatoren auf der Basis einer rechteckigen Struktur eingesetzt wird, können Hochleistungspolarisatoren durch Normalwinkelabscheidung mit Allzweckgeräten erhalten werden, was zur Kostenreduzierung und verbesserten Herstellbarkeit beiträgt.

Polarisatoren sind wichtige optische Elemente, die in optischen Technologien wie optischer Sensorik und optischer Bildgebung eingesetzt werden; Mit dem Aufbau einer intelligenten Gesellschaft wird die Nachfrage nach Polarisatoren in Zukunft weiter steigen. Ihre Anwendungen mit sichtbarem bis nahinfrarotem Licht sind nicht auf Displays beschränkt; In den letzten Jahren wurden sie in Lichterkennungs- und Entfernungsmesssystemen für automatisches Fahren1,2,3,4, Roboter5,6, Smartphones7, biologische Bildgebungssysteme8,9,10 und Sicherheitssysteme11,12 eingesetzt. Infolgedessen hat die Forschung und Entwicklung von Polarisatoren erhebliche Fortschritte gemacht, was zur Entstehung von Metamaterialpolarisatoren13,14, Kohlenstoffnanoröhrenpolarisatoren15,16,17 und Mehrschichtpolarisatoren18,19 geführt hat, die vorgeschlagen und demonstriert wurden. Die meisten aktuellen Polarisatoren auf dem Markt sind dichroitische Polarisatoren auf Farbstoffbasis. Die Erweiterung des Funktionswellenlängenbereichs stellt eine Herausforderung dar und die Auswahl an Polarisatoren im Nahinfrarotbereich ist begrenzt20,21. Drahtgitterpolarisatoren (WGPs) sind vielversprechende Kandidaten, da sie über breitbandige Wellenlängen vom sichtbaren Licht bis zum Nahinfrarotbereich eine hohe Leistung zeigen, indem sie die Form und das Material der anisotropen Subwellenlängenstruktur steuern.

Allerdings schränken die hohen Herstellungskosten typischer WGPs ihre Anwendung ein. Um in Zukunft in verschiedenen Arten von optischen Systemen eingesetzt zu werden, ist eine kostengünstige Herstellungsmethode erforderlich. Um metallische Strukturen mit den erforderlichen Subwellenlängen herzustellen, ist ein orthodoxerer Ansatz die Verwendung von Elektronenstrahllithographie und Al-Ätzen. Als alternative Ansätze wurden Methoden beschrieben, die Interferenzbelichtung22 und Nanoprägung23,24 anstelle der Elektronenstrahllithographie nutzen. Nanoimprinting ist ein formbasiertes Formverfahren, das unter den Nanostrukturformverfahren relativ kostengünstig ist. Anschließend wurde über verschiedene auf dem Nanoprägeprozess basierende Methoden berichtet, die kein Al-Ätzen erfordern, wie z. B. Schrägwinkelabscheidung25,26,27 und Glanzwinkelabscheidung28,29. Da die Entfernung unnötiger Metallteile nicht erforderlich ist, kann der Herstellungsprozess verkürzt und die Herstellbarkeit verbessert werden. Da jedoch spezielle Ausrüstung für die Schrägwinkelabscheidung erforderlich ist und die erforderliche Genauigkeit des Abscheidungswinkels hoch ist, wurde über mehrere WGPs berichtet, die Vakuumabscheidung bei normalen Winkeln verwenden und mit Allzweckgeräten hergestellt werden können30,31,32,33, 34,35. Darüber hinaus wurde auch über WGPs berichtet, die durch Lösungsprozesse hergestellt wurden, die nicht die Vakuumabscheidungsmethode nutzen36,37,38,39; Dennoch ist ihre Leistung im Vergleich zu WGPs, die durch Vakuumabscheidung hergestellt werden, schlechter. Daher besteht ein erneutes Interesse an der Forschung und Entwicklung kostengünstiger, leistungsstarker WGPs für die Implementierung in Anwendungen der nächsten Generation. Es wird erwartet, dass die Verwirklichung dieser Technologie einen wesentlichen Beitrag zur Verbreitung fortschrittlicher optischer Sensor- und Bildverarbeitungssysteme leisten und eine sicherere und geschütztere intelligente Gesellschaft schaffen wird.

In dieser Studie haben wir einen leistungsstarken nano-dreieckigen wellenförmigen Polarisator (Nano-TWP) mithilfe eines Herstellungsprozesses entwickelt, der Nanoprägung und Al-Vakuumabscheidung im Normalwinkel umfasst. Dieses Nano-TWP eignet sich für kostengünstige Methoden zur Bildung von Metalldünnfilmen, wie z. B. stromlose Ni-Plattierung und Normalwinkelabscheidung, da die optische Funktion durch die Bildung einer Nano-Dreieckswellenstruktur auf der Substratoberfläche und dem Metallfilm entlang dieser erreicht wird die Oberfläche. Die nano-dreieckige Wellenstruktur weist hervorragende Formtrenneigenschaften auf und erhöht die Haltbarkeit der Form, da sie während des Nanoprägeprozesses nur eine vernachlässigbare Reibung in Formtrennrichtung verursacht. Unsere Forschung wird es Ingenieuren aus einem breiten Spektrum von Bereichen ermöglichen, Prototypen von Polarisatoren herzustellen, indem sie einfach Substrate mit nanodreieckigen wellenförmigen Oberflächen herstellen, und so die Entwicklung von Anwendungsprodukten mit Polarisatoren erleichtern. Daher wird die Herstellung von Nano-TWPs mittels stromloser Beschichtung oder Vakuumabscheidung und der Nachweis ihrer Polarisationsfunktion erhebliche Auswirkungen nicht nur auf die Wissenschaft, sondern auch auf die Industrie haben.

Die stromlose Ni-Beschichtung wird häufig in der Automobilindustrie und anderen Industriezweigen eingesetzt. Daher ist es sinnvoll, Forschungsarbeiten zur Verbesserung der Polarisationseigenschaften mithilfe eines kostengünstigen Flüssigkeitsverfahrens durchzuführen. Abbildung 1a zeigt das Querschnittsbild eines Rasterelektronenmikroskops (REM) eines Nano-TWP, das durch stromlose Ni-Beschichtung hergestellt wurde. Wie geplant wurde auf der Oberfläche der Polycarbonatplatte eine kontinuierliche dreieckige Wellenstruktur mit nahezu keinen flachen Bereichen gebildet, und es wurde erfolgreich ein Ni-Film gleichmäßig auf der Oberfläche der Polycarbonatplatte gebildet. In der Nano-Dreieckswellenstruktur war der Arbeitszyklus des Ni-Anteils in der Schicht an einer bestimmten Position auf der z-Achse von der Spitze bis zum Boden der Struktur nahezu konstant, und der durchschnittliche D-Wert betrug 20 %, as beobachtet in Abb. 1a. Die Abbildungen 1b und c zeigen die Durchlässigkeit bei x-polarisiertem Lichteinfall und die PER-Spektren (Polarisation Extinction Ratio), gemessen unter Verwendung der Zeit für die stromlose Beschichtung. Die Messungen wurden mit einem Spektrophotometer (SolidSpec-3700, Shimadzu Corporation) durchgeführt. Die Dicke des Ni-Films kann über die Dauer der stromlosen Beschichtung gesteuert werden; Je länger die Galvanisierungszeit ist, desto dicker ist der Film. Verglichen mit der Verarbeitungszeit nahm Tx allmählich von 54 auf 14 % ab, während die Verarbeitungszeit von 70 auf 150 s bei einer Wellenlänge von 550 nm anstieg, was nahe an der Spitzenempfindlichkeit des menschlichen Auges liegt. Bei einer Wellenlänge von 1550 nm, die in Nahinfrarot-Sensorsystemen verwendet wird, betrug Tx 83 % bei einer Verarbeitungszeit von 70 s und 48 % bei einer Verarbeitungszeit von 150 s. Der aus den gemessenen Tx- und Ty-Werten berechnete PER nahm mit zunehmender Verarbeitungszeit tendenziell zu. es stieg jedoch nicht mit konstanter Rate. Bei einer Wellenlänge von 550 nm betrug die PER 13 dB bei einer Verarbeitungszeit von 70 s und die maximale PER von 27 dB wurde bei einer Verarbeitungszeit von 135 s erreicht. Der PER bei einer Wellenlänge von 1550 nm war zu allen Behandlungszeiten niedriger als der bei 550 nm: 7 dB bei 70 s Behandlungszeit und 21 dB bei 150 s Behandlungszeit. Im Vergleich zu einer früheren Studie39 zeigte die stromlose Ni-Plattierung auf einer rechteckigen Struktur im gleichen Zeitraum eine Einzeltransmission (Tx + Ty)/2 von 14 % bei einem ähnlichen PER bei einer Wellenlänge von 550 nm, während für das Nano-TWP Bei einer Behandlungszeit von 80 s wurde eine Einzeltransmission von 20 %, also etwa das 1,4-fache, erzielt. Obwohl die Verbesserungsrate der Durchlässigkeit relativ niedrig war, zeigten die experimentellen Ergebnisse, dass die Durchlässigkeit durch die Verwendung der Nano-Dreieckswellenstruktur im Vergleich zur herkömmlichen Rechteckstruktur verbessert werden kann, während gleichzeitig ein geeigneter PER bei der Herstellung von Nano-TWP durch stromlose Ni-Plattierung aufrechterhalten wird.

(a) Querschnitts-REM-Bild des hergestellten Nano-TWP mittels stromloser Ni-Beschichtung. Gemessene (b) Transmissionsspektren und (c) PER-Spektren als Funktion der stromlosen Beschichtungszeit.

Al-Verdampfung wird in mehreren konventionellen WGPs im sichtbaren und nahen Infrarotbereich eingesetzt. Wenn ein hochfunktionales WGP durch Normalwinkelabscheidung ohne Anwendung der Schrägwinkelabscheidungsmethode realisiert werden kann, die spezielle Ausrüstung und eine präzise Winkelsteuerung erfordert, kann dies der Industrie hinsichtlich Herstellbarkeit und Ausbeute erhebliche Vorteile bringen. Abbildung 2a und b zeigen Fotos des hergestellten Nano-TWP, das in parallelen bzw. gekreuzten Nicols-Anordnungen gegen das polarisierte Bild gehalten wird. Abbildung 2c zeigt das SEM-Bild des Nano-TWP, das durch Al-Abscheidung im Normalwinkel hergestellt wurde. Auf der gesamten Oberfläche der dreieckigen Wellenstruktur wurde ein dünner Al-Film gebildet. In diesem Fall betrug die Dicke des auf der Oberseite der Struktur gebildeten Al 41 nm und die Breite des auf der Seitenwand der geneigten Struktur in x-Richtung gebildeten Al betrug im Durchschnitt etwa 17 nm. Daher betrug der durchschnittliche Arbeitszyklus des Al-Anteils in der Schicht an einer bestimmten Position auf der z-Achse 24 %, und es ist möglich, D von der Spitze bis zum Boden unterhalb eines bestimmten Wertes zu bilden. Abbildung 2d, e zeigen die gemessenen Transmissions- bzw. PER-Spektren als Funktion der Dicke des abgeschiedenen Al-Films. In Abb. 2d stellen die durchgezogenen und gestrichelten Linien Tx bzw. Ty dar. Die abgeschiedenen Al-Filmdicken betrugen 41 nm, 68 nm und 80 nm, und wir bestätigten, dass der durchschnittliche D mit der Filmdicke zunahm; der durchschnittliche D betrug 37 %, wenn die Filmdicke 80 nm betrug. Je dünner die Folie, desto höher ist die Einzeldurchlässigkeit; Je dicker der Film, desto höher ist der PER. Bei einer Dicke des Films von 80 nm wurde eine PER von 28 dB bei einer Wellenlänge von 550 nm und eine von etwa 30 dB im nahen Infrarotbereich erhalten. Ein geeignetes Gleichgewicht zwischen Einzeltransmission und PER wurde bei einer Filmdicke von 68 nm erreicht, mit einer Einzeltransmission von 41 % und PER von 24 dB bei einer Wellenlänge von 550 nm sowie einer Einzeltransmission von 47 % und PER von 27 dB bei einer Wellenlänge von 1550 nm. Es wurde ein Wert nahe der theoretischen Grenze von 50 % für die Einzeltransmission eines normalen Polarisators, einschließlich des Grundsubstrats, erreicht. Ein Vergleich der optischen Leistung der hergestellten Nano-TWP und konventionellen WGPs ist in Tabelle 1 zusammengefasst. Die folgenden konventionellen WGPs sind aufgeführt: solche, die mit teuren Lithographie- und Al-Ätzverfahren hergestellt wurden und drei verschiedene Abscheidungsmethoden auf Basis von Nanoimprinting verwenden. Im Vergleich zu WGPs mit normaler Winkelabscheidung wurde trotz gleicher Herstellungsmethode eine signifikante Verbesserung der Transmission beobachtet, indem nur die Wellenstruktur von rechteckig zu dreieckig geändert wurde. Darüber hinaus wurde im Vergleich zu WGPs mit Schrägwinkelabscheidung nahezu die gleiche optische Leistung erzielt, obwohl die PER etwas schlechter war. Der Vorteil der Normalwinkelabscheidung besteht darin, dass sie mit Allzweck-Abscheidungsgeräten implementiert werden kann, da der spezielle Bühnenmechanismus und die präzise Winkelsteuerung, die für die Schrägwinkelabscheidung erforderlich sind, nicht erforderlich sind.

Fotos des hergestellten Nano-TWP durch Al-Abscheidung im Normalwinkel, angeordnet mit (a) parallelen und (b) gekreuzten Nicols. (c) Querschnitts-REM-Bild der hergestellten Probe. Gemessene (d) Transmissions- und (e) PER-Spektren als Funktion der Al-Dicke.

Aus praktischer Sicht haben wir die Abhängigkeit des Einfallswinkels des Nano-TWP gemessen und mit der eines herkömmlichen WGP verglichen. Abbildung 3a,b zeigen die gemessenen Transmissions- und PER-Spektren als Funktion des Einfallswinkels θ des Lichts, wenn vertikal polarisiertes Licht auf die Rotationsebene des Tisches einfällt. Mit zunehmendem θ nahm Tx bei einer Wellenlänge von 550 nm für θ = 70° allmählich auf 45 % ab. Umgekehrt stieg der PER allmählich an; Bei einer Wellenlänge von 550 nm wurde für θ = 5° ein PER von 20 dB erhalten, während für θ = 70° ein PER von 25 dB erhalten wurde. Abbildung 3c,d zeigen die gemessenen Transmissions- und PER-Spektren, wenn das polarisierte Licht parallel zur Rotationsebene des Probentisches einfällt. Tx war unempfindlich gegenüber Änderungen von θ und es gab keine signifikante Änderung in den Tx-Spektren bis etwa θ = 50°. Allerdings nahm die PER allmählich ab, und bei einer Wellenlänge von 550 nm sank die PER von 19 dB bei θ = 5° auf 15 dB bei θ = 70°. Im Vergleich zur Einfallswinkelabhängigkeit herkömmlicher WGPs haben wir bestätigt, dass die Tendenz von Nano-TWP nahezu gleich ist40,41. Daher ist der Einfluss des Wechsels von herkömmlichem WGP zu Nano-TWP auf die Einfallswinkelabhängigkeit gering.

Einfallswinkelabhängigkeit des hergestellten Nano-TWP. Gemessen (a) die Transmission und (b) die PER-Spektren mit dem einfallenden polarisierten Licht parallel zur Rotationsebene des Probentisches. Gemessene (c) Transmissions- und (d) PER-Spektren mit einfallendem polarisiertem Licht parallel zur Rotationsebene des Probentisches.

Als nächstes wurden die Reflexionsspektren ausgewertet, um ihre Anwendbarkeit als reflektierende oder absorbierende Polarisatoren zu bestimmen. Abbildung 4 zeigt die gemessenen und berechneten Reflexionsspektren. Der Reflexionsgrad wurde als normale Reflexion bei θ = 5° gemessen. Auf der Strukturoberflächenseite und auf der Rückseite einfallende Messungen wurden jeweils als Vorder- und Rückseitenergebnisse aufgezeichnet. Bei diesen Messungen handelte es sich um das gesamte von der Probe reflektierte Licht und nicht um die Reflexionsergebnisse für die oberste Oberfläche nur einer Seite. Bemerkenswerterweise gab es einen deutlichen Unterschied im Reflexionsgrad zwischen der Vorder- und Rückseite. Auf der Vorderseite ähnelte das Reflexionsvermögen dem eines reflektierenden Polarisators, während es auf der Rückseite, wie in Abb. 2b dargestellt, dunkel erschien, ähnlich wie bei einem absorbierenden Polarisator. Unter Verwendung der Form der Struktur im REM-Bild als Modell wurden numerische Berechnungen mittels rigoroser gekoppelter Wellenanalyse (RCWA)42 durchgeführt. Der Brechungsindex von Al wurde aus der Studie von Rakić et al.43 ermittelt. Die berechneten Werte sowohl für das Reflexionsvermögen auf der Vorder- als auch auf der Rückseite waren höher als die experimentellen Werte; Dennoch stimmten die Trends relativ gut überein. Ein Spektraltrübungsmessgerät (SH-7000, Nippon Denshoku Industries) für sichtbares Licht wurde verwendet, um den Prozentsatz des Streulichts im durchgelassenen Licht zu bewerten. Im sichtbaren Bereich wurde eine Trübung von weniger als 1,0 % erhalten, was darauf hinweist, dass die Streukomponente gering war. Daher werden andere Komponenten als das durchgelassene und reflektierte Licht relativ zum einfallenden Licht fast vollständig absorbiert. Dementsprechend kann die Vorderseite als reflektierender Polarisator verwendet werden, während die Rückseite als Polarisator vom absorbierenden Typ verwendet werden kann.

Gemessene Reflexionsspektren der Vorder- und Rückseite des hergestellten Nano-TWP. Gepunktete Linien zeigen die berechneten Diagramme.

Zusammenfassend haben wir ein WGP für den sichtbaren bis nahen Infrarotbereich basierend auf einer nanodreieckigen wellenförmigen Struktur hergestellt und dessen optische Eigenschaften bewertet. Die Polarisatoren wurden durch thermisches Nanoprägen und Metallabscheidung entweder im Normalwinkel- oder stromlosen Beschichtungsverfahren hergestellt. Der durch stromlose Ni-Beschichtung hergestellte Polarisator erreichte eine Durchlässigkeit von 40 %, was etwa 1,4-mal höher ist als in einer früheren Studie mit stromloser Ni-Beschichtung auf einer rechteckigen Struktur mit derselben Periode. Dieses Ergebnis wurde bei einer Wellenlänge von 550 nm unter Beibehaltung des gleichen Polarisationsextinktionsverhältnisses erzielt. Darüber hinaus soll ein Hochleistungspolarisator durch Al-Abscheidung unter normalen Winkeln unter Verwendung von Allzweckgeräten realisiert werden, ohne dass eine Schrägwinkelabscheidung erforderlich ist, die einen speziellen Tischmechanismus erfordert; Bei einer Wellenlänge von 550 nm wurde eine hohe Transmissionsrate von 81 % mit einem PER von 24 dB erreicht. Diese Polarisatoren können in einem kostengünstigen Verfahren hergestellt werden, indem eine Form mit einer nanodreieckigen wellenförmigen Oberfläche hergestellt wird. Diese Herstellungsmethode kann problemlos in industriellen Anwendungen angewendet werden, da keine spezielle Ausrüstung oder komplexe Prozesse erforderlich sind. In Zukunft werden wir den Zusammenhang zwischen optischen Eigenschaften, einschließlich des Reflexionsvermögens, und der nanodreieckigen wellenförmigen Struktur klären, um optische Funktionen für die Erfüllung gesellschaftlicher Bedürfnisse zu optimieren. Wir gehen davon aus, dass die Anwendungen kostengünstiger und leistungsstarker Polarisatoren, die auf den Ergebnissen dieser Studie basieren, die Verwirklichung intelligenter Sensorik und einer digitalen Gesellschaft in der Zukunft beschleunigen und erleichtern werden.

Die Bedeutung der Verwendung einer nanodreieckigen wellenförmigen Oberfläche wird durch den Vergleich mit einer herkömmlichen rechteckigen wellenförmigen Oberfläche erklärt. Die Abbildungen 5a und b veranschaulichen die stromlose Beschichtung bzw. die Normalwinkelabscheidung auf einer rechteckigen Oberfläche. Im Allgemeinen kann das stromlose Plattieren, das im Vergleich zum Aufdampfen eine kostengünstige Herstellungstechnik darstellt, Metallfilme entlang der Oberfläche bilden. Bei der Abscheidung im Normalwinkel ist es weniger wahrscheinlich, dass sich Metallfilme an den Seitenwänden bilden, da der Metalldampffluss linear abgeschieden wird. In einer bestimmten Schicht des Strukturteils variiert der Metallarbeitszyklus D (das Verhältnis des Metallteils pro Periode der Nanostruktur) abhängig von seiner Position entlang der z-Achse. In Abb. 5a übersteigt D 50 % in den Schichten an konvexen oder konkaven Böden. Selbst wenn die Breite des konvexen Abschnitts schmaler ist, erscheint in der Schicht entlang der Z-Achse ein höherer D-Wert von mehr als 50 %, da D am Boden des konkaven Abschnitts größer ist. In ähnlicher Weise erscheinen in Abb. 5b unabhängig davon, in welchem ​​Ausmaß die Breiten der konvexen und konkaven Abschnitte angepasst werden, Schichten mit D über 50 %. Durch die Reduzierung von D kann die optische Durchlässigkeit eines WGP44 effektiv erhöht werden. Gemäß der Theorie des effektiven Mediums kann der effektive Brechungsindex in solchen Subwellenlängenstrukturen mit D45 angenähert werden. Mit anderen Worten: Das Vorhandensein einer Schicht mit D von mehr als 50 % behindert die Realisierung einer hohen Durchlässigkeit, da die optische Reaktion in dieser Schicht eher der eines Metalls als der eines Dielektrikums ähnelt. Wenn jedoch eine stromlose Plattierung oder Normalwinkelabscheidung auf der Oberfläche der dreieckigen Wellenform durchgeführt wird, wird ein Metallfilm gebildet, wie in Abb. 5c gezeigt. Durch Steuerung der Dicke des Metallfilms kann D für jede Schicht vom konvexen bis zum konkaven Boden unter einem bestimmten Wert von weniger als 50 % gehalten werden, und es kann eine hohe Durchlässigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung eines hohen PER erzielt werden.

Darstellung von (a) stromloser Beschichtung auf einer rechteckigen Oberfläche, (b) Normalwinkelabscheidung auf einer rechteckigen Oberfläche und (c) stromloser Beschichtung oder Normalwinkelabscheidung auf einer dreieckswellenförmigen Oberfläche.

Numerische Berechnungen mit dem RCWA wurden durchgeführt, um die optischen Eigenschaften von Nano-TWP abzuschätzen. Der obere Einschub von Abb. 6 zeigt das Berechnungsmodell. Das Kunststoffsubstrat war Polycarbonat mit einer Dicke von 300 μm, und auf seiner Oberfläche bildete sich eine konkav-konvexe Struktur mit einer Höhe von 400 nm und einer Periode von 140 nm. Unter der Annahme, dass der Metallfilm durch stromlose Ni-Plattierung gebildet wurde, wurde auf der gesamten Oberfläche der Struktur, einschließlich der Seitenwände, ein Ni-Film mit einer Dicke von 10 nm gebildet. Die Breite vom Rand des konvexen Bodens bis zum Rand des konkaven Bodens wird als s bezeichnet. Als sich s von 0 mm auf 70 nm änderte, änderte sich die Struktur von einer rechteckigen Form zu einer dreieckigen Wellenform. Der Brechungsindex von Polycarbonat wurde mit 1,58 bestimmt und der von Ni wurde aus der Studie von Rakić et al.43 ermittelt. Der verjüngte Teil wurde etwa alle 40 nm geteilt, was 1/10 der Höhe der konkav-konvexen Struktur entspricht , um die Brechungsindexverteilung der Schicht zu bestimmen. Abbildung 6a, b zeigen die Transmissionsspektren bei x-Polarisationseinfall bzw. die PER-Spektren als Funktion von s. PER wurde mit der folgenden Gleichung ermittelt:

wobei Tx und Ty die Durchlässigkeiten bei x- bzw. y-Polarisationseinfall sind. Abbildung 6a zeigt, dass die Durchlässigkeit drastisch zunimmt, wenn die Struktur von einer rechteckigen Form in eine dreieckige Wellenform umgewandelt wird; Das heißt, wenn der D-Wert zwischen dem konvexen und dem konkaven Boden der Struktur allmählich abnimmt, steigt die Durchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 550 nm von 24 auf 55 %. Darüber hinaus zeigt Abb. 6b, dass der PER gegenüber s unempfindlich ist. Bei einer Wellenlänge von 550 nm betrug die PER 29,3 dB, wenn s = 0 nm, und bei s = 70 nm sank die PER nicht wesentlich auf 28,8 dB, wodurch eine hohe PER erhalten blieb. Daher bestätigte die Simulation, dass das Nano-TWP eine verbesserte Durchlässigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung des PER aufwies.

Berechnet (a) die Transmissionsspektren bei x-polarisiertem Einfall und (b) die PER-Spektren.

Um weitere Einblicke in das Nano-TWP zu erhalten, vergleichen wir es mit WGPs mit Linien- und Raumstruktur, die in früheren Studien gefunden wurden15,16,17 und WGPs, die durch Schrägwinkelabscheidung hergestellt wurden18,19,20. Da es sich beim Nano-TWP um eine Subwellenlängenstruktur handelt, ist seine Zusammensetzung nahezu identisch mit der des herkömmlichen Line-and-Space. Insbesondere wenn der Querschnitt jeder Struktur um eine bestimmte Schicht geschnitten wird, sind der Metallteil und der Luftteil in einem bestimmten Belegungsverhältnis in der Linien- und Raumstruktur vorhanden. In der mit dem Schrägwinkelabscheidungsverfahren hergestellten Struktur liegen der Metallteil, der Substratmaterialteil und der Luftteil in einem bestimmten Besetzungsverhältnis vor. In der nanodreieckigen wellenförmigen Struktur bestehen der Metallteil, der Substratmaterialteil und der Luftteil, wobei das Verhältnis des Metallanteils von der Oberfläche bis zum Boden der Struktur nahezu konstant ist, während das Verhältnis des Substrats nahezu konstant ist Der Anteil nimmt allmählich zu. Da die Konfigurationen dieser Strukturen nahezu identisch sind, ist zu erwarten, dass ihre optischen Eigenschaften trotz unterschiedlicher Form ähnlich sind. Um diese Annahme zu bestätigen, wurde ein Vergleich mit der herkömmlichen Linien- und Raumstruktur mittels RCWA-Simulation durchgeführt. Abbildung 7 zeigt die Berechnungsergebnisse, wenn Ni als metallische Materialien verwendet wurde. Die Brechungsindizes von Polycarbonat und Ni waren die gleichen wie oben beschrieben. Im Fall von Nano-TWP erhöht eine Erhöhung der Ni-Dicke in z-Richtung (tm) unter der Annahme einer gleichmäßigen Bildung von Ni über die Strukturoberfläche nicht nur die Dicke der metallhaltigen Schicht, sondern auch die Dicke des Ni Film in x-Richtung. Folglich erhöht sich der Anteil des Metallanteils. Daher nimmt mit zunehmender tm der PER zu, während die Durchlässigkeit abnimmt.

Berechnete Transmissionsspektren bei x-Polarisationseinfall und PER-Spektren eines herkömmlichen WGP vom Linien-und-Raum-Typ und des Nano-TWP.

Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass je nach Bedingungen auch im Nano-TWP sowohl eine hohe Transmission als auch ein PER über 20 dB erzielt wurden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen WGP war die Durchlässigkeit unter den Bedingungen, die zum Erreichen des gleichen PER erforderlich waren, geringer. PER kann jedoch erhöht werden, ohne dass tm zu dick wird, indem die Höhe der nanodreieckigen wellenförmigen Oberflächenstruktur des Substrats erhöht wird, wodurch die Polarisationseigenschaften verbessert werden. Weitere Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Geometrie und optischen Eigenschaften werden in Zukunft durchgeführt.

Abbildung 8a,b zeigen den Nano-TWP-Herstellungsprozess. Beim thermischen Nanoprägen betrug die Formtemperatur 170 °C und es wurde 150 s lang ein Druck von 0,9 MPa angelegt. Abbildung 8c zeigt ein REM-Querschnittsbild der Form. Die Form wies eine nanodreieckige wellenförmige Struktur mit einer Periode von etwa 140 nm und einer Höhe von etwa 420 nm auf; Die Form wurde mithilfe von Lithographie und reaktivem Ionenätzen hergestellt. Nach dem thermischen Nanoprägeschritt schrumpfte die Oberflächenstruktur der Polycarbonatplatte aufgrund der thermischen Kontraktion im Vergleich zur Formstruktur leicht. Anschließend wurde durch stromlose Ni-Plattierung oder Al-Abscheidung auf der Oberfläche der Struktur Nano-TWP erhalten. Für die stromlose Ni-Plattierung wurden die Substrate nach dem Eintauchen in die von Okuno Chemical Industries hergestellten Sensibilisator- und Aktivatorlösungen bei Raumtemperatur (23 °C) in ein stromloses Ni-Plattierungsbad von Okuno Chemical Industries getaucht. Al wurde mithilfe eines Elektronenstrahlverdampfungssystems in einem senkrechten Winkel senkrecht zur Oberfläche der Polycarbonatplatte abgeschieden. Stromloses Plattieren und Vakuumabscheidung sind typische Fertigungstechniken für die Dünnschichtbildung, und mehrere Unternehmen verfügen bereits über diese Ausrüstung.

Abbildungen des Herstellungsprozesses für (a) thermisches Nanoprägen und (b) stromlose Ni- oder Al-Verdampfung; und (c) Querschnitts-REM-Bild der Form.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Wir danken Frau Haruyo Hashimoto und Frau Kaori Kamada für ihre technische Unterstützung. Diese Arbeit wurde teilweise durch das Adaptable and Seamless Technology Transfer Program through Target-driven R&D (A-STEP) der Japan Science and Technology Agency (JST; Grant Number: JPMJTM19Y7) und JSPS KAKENHI Grant Number 21H01851 unterstützt.

Advanced Manufacturing Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), AIST Tsukuba East, 1-2-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-8564, Japan

Ryohei Hokari, Genki Kuwano und Kazuma Kurihara

Mitsubishi Gas Chemical Trading, Inc., KANDA SQUARE 15F, 2-2-1 Kanda-Nishikicho, Chiyoda-Ku, Tokio, 101-0054, Japan

Kyohei Takakuwa

Sumitomo Bakelite Co., Ltd., 7-1 Satsukicho, Kanuma, Tochigi, 322-0014, Japan

Kengo Shiomoto

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RH verfasste den Hauptteil des Manuskripts und führte die Erstellung und Charakterisierung durch. KT, KS und GK trugen zur Forschungsidee bei und halfen beim Verfassen des Einleitungsteils des Manuskripts. KK trug zur Forschungsidee bei und betreute die Arbeit. Alle Autoren analysierten die Ergebnisse und gaben Feedback zum Manuskript.

Korrespondenz mit Ryohei Hokari.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hokari, R., Takakuwa, K., Shiomoto, K. et al. Entwicklung und Analyse eines nano-dreieckigen wellenförmigen Polarisators. Sci Rep 13, 13387 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40511-z

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Eingegangen: 29. Januar 2023

Angenommen: 11. August 2023

Veröffentlicht: 17. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40511-z

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